*單曉敬
(山西魯能河曲發(fā)電有限公司 山西 036500)
火電廠脫硝系統(tǒng)改造工程方案研究與設(shè)計
*單曉敬
(山西魯能河曲發(fā)電有限公司 山西 036500)
本文首先對山西河曲發(fā)電有限公司現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的設(shè)備狀況、設(shè)備性能進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計了脫硝改造的技術(shù)路線和改造方案。通過生產(chǎn)實踐結(jié)果來看,完成鍋爐煙氣NOx超低排放改造后,改造效果顯著,具有較好的節(jié)能減排效果和社會效益。
脫硝改造;方案設(shè)計;節(jié)能減排;社會效益
山西魯能河曲發(fā)電有限公司一期2×600MW機(jī)組是“十五”期間國家確定的開發(fā)大西北“西電東送”北通道的重要電源點之一,是大型跨省區(qū)送電項目,是典型的坑口電站。一期工程建設(shè)2×600MW亞臨界燃煤濕冷凝汽式機(jī)組。為了改善大氣環(huán)境質(zhì)量,國家與部分地方政府針對火電行業(yè)制定了日趨嚴(yán)厲的排放標(biāo)準(zhǔn),要求采取措施進(jìn)行污染治理。山西魯能河曲發(fā)電有限公司一期1號、2號機(jī)組煙氣污染物排放擬按氮氧化物濃度不大于50mg/m3(標(biāo)態(tài),干基,6%O2)、排放二氧化硫濃度不大于35mg/m3(標(biāo)態(tài),干基,6%O2)、排放粉塵濃度不大于5mg/m3(標(biāo)態(tài),干基,6%O2)控制開展脫硫、脫硝工程改造。原有脫硝系統(tǒng)工程不能滿足要求,需要進(jìn)行改造。
(1)設(shè)備概況
山西魯能河曲發(fā)電有限公司1~4號機(jī)組脫硝改造采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝,液氨制氨法。SCR反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間,每臺鍋爐設(shè)兩臺SCR反應(yīng)器,沿鍋爐中心線對稱布置。SCR脫硝設(shè)備按年利用小時5500小時、年投運(yùn)時間8000小時設(shè)計,SCR系統(tǒng)可用率為99%。1、2號機(jī)組SCR脫硝裝置由中國大唐集團(tuán)科技有限公司設(shè)計、供貨;1號機(jī)組SCR于2013年2月份投運(yùn),2號機(jī)組SCR于2012年12月投運(yùn)。
1、2號機(jī)組脫硝裝置吹灰采用聲波吹灰器吹灰方式,每臺反應(yīng)器在SCR入口上升煙道截面上均勻布置噴氨格柵。省煤器出口煙氣NOx≤300mg/m3,脫硝入口NOx含量按400mg/m3設(shè)計,煙塵濃度≤35g/m3,采用SCR脫硝改造后,脫硝效率不低于75%。SCR反應(yīng)器催化劑層數(shù)按2+1模式布置,初裝2層預(yù)留1層,預(yù)留備用層在下,每層催化劑的支撐梁間的距離不小于3.3米。在設(shè)計工況、處理100%煙氣量、布置2層催化劑條件下每套脫硝裝置脫硝效率均不低于75%。1、2號機(jī)組SCR催化劑采用鄭州康寧特環(huán)保工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的蜂窩式催化劑,催化劑節(jié)距為8.2mm,每層模塊數(shù)72個,每臺爐催化劑初裝體積為357m3。
河曲電廠4臺機(jī)組SCR脫硝還原劑采用液氨制氣氨法,設(shè)置一套公用的液氨儲存、蒸發(fā)系統(tǒng),其處理能力按一期2×600MW機(jī)組脫硝效率大于75%(入口NOx按照400mg/ m3)及二期2×600MW機(jī)組脫硝效率大于84%(入口NOx按照600mg/m3)的氨耗量進(jìn)行考慮。
液氨制氣氨法系統(tǒng)包括卸料壓縮機(jī)、液氨儲罐、液氨供應(yīng)泵、蒸發(fā)器、緩沖罐、稀釋槽、廢水池及廢水泵等。
(2)設(shè)備性能現(xiàn)狀
針對SCR脫硝裝置性能提效改造,需要根據(jù)SCR裝置實際運(yùn)行性能、現(xiàn)場SCR整體性能測試及催化劑的微觀檢測結(jié)果進(jìn)行綜合評價分析,并對比分析催化劑活性降低的規(guī)律和原因,從而為SCR的脫硝性能提效改造提供科學(xué)依據(jù)。SCR裝置催化劑設(shè)計化學(xué)壽命24000h,當(dāng)前1、2號機(jī)組SCR已連續(xù)通煙氣時間接近24000小時。以下參考2015年10-11月2號機(jī)組SCR摸底試驗,對鍋爐煤質(zhì)、SCR煙氣參數(shù)、脫硝裝置性能等進(jìn)行分析。
①煙氣參數(shù)
SCR脫硝裝置性能試驗過程中的煙氣量根據(jù)入爐煤煤質(zhì)分析、給煤量、大氣濕度、省煤器出口氧量等參數(shù)計算。實際煙氣量均大于額定工況煙氣量設(shè)計值;額定工況下的脫硝入口煙溫接近設(shè)計值;NOx濃度低于設(shè)計值400mg/m3;SO2濃度、煙塵濃低于接近設(shè)計值。
②鍋爐燃燒系統(tǒng)及NOx排放
根據(jù)SCR性能檢測數(shù)據(jù)及SCR日常運(yùn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù),鍋爐日常生產(chǎn)NOx濃度高于SCR入口設(shè)計基準(zhǔn)濃度。
③脫硝系統(tǒng)運(yùn)行性能
河曲電廠1、2號機(jī)組SCR脫硝分別于2012年12月和2013年2月投運(yùn),2號機(jī)組SCR脫硝裝置投運(yùn)約24000小時。為能準(zhǔn)確評估脫硝裝置的性能惰化趨勢,對2014年SCR運(yùn)行數(shù)據(jù)和投運(yùn)后的性能檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,為脫硝提效可研方案的設(shè)計提供支撐數(shù)據(jù)。
目前在SCR催化劑化學(xué)壽命接近24000小時,SCR入口NOx濃度較設(shè)計濃度偏低的情況下,1號機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置氨逃逸濃度大于3μL/L,基本能實現(xiàn)控制SCR出口NOx濃度121-158mg/m3之間,已大于脫硝系統(tǒng)保證值,建議河曲電廠聯(lián)系原設(shè)計單位及催化劑廠家查找原因。
④煙氣溫度
根據(jù)各臺機(jī)組SCR性能試驗期間各負(fù)荷工況下的測試數(shù)據(jù),1、2號機(jī)組在負(fù)荷50%BMCR~100%BMCR時,SCR入口煙溫在320~351℃,溫度區(qū)間均滿足SCR催化劑設(shè)計反應(yīng)溫度。由于機(jī)組最低連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷為50%BMCR,因此本工程不涉及全負(fù)荷脫硝改造。
(3)性能分析
①煙氣條件
煙氣條件是SCR設(shè)計的基礎(chǔ),也是分析催化劑失活的重要依據(jù)。根據(jù)鍋爐日常運(yùn)行煤質(zhì)、SCR性能期間煙氣測量數(shù)據(jù),對本次脫硝提效改造煙氣參數(shù)條件分析如下。主要煙氣參數(shù)基本在設(shè)計范圍內(nèi),催化劑的運(yùn)行煙氣環(huán)境較好。
A.試驗期間鍋爐運(yùn)行NOx濃度最高為396mg/m3,低于SCR設(shè)計入口NOx濃度400mg/m3。
B.機(jī)組日常運(yùn)行負(fù)荷50%BMCR~100%BMCR時,反應(yīng)器入口煙溫320~351℃,滿足催化劑設(shè)計運(yùn)行溫度要求。
C.機(jī)組日常運(yùn)行中,SO2濃度和SCR入口煙塵濃度分別約為1500mg/m3和28g/m3,SO2、粉塵濃度均低于設(shè)計值。
②SCR性能
分析2015年1號機(jī)組SCR現(xiàn)場性能測試結(jié)果,對煙氣脫硝系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)評價如下:
A.在SCR入口NOx濃度低于400mg/m3時,近期在催化劑化學(xué)壽命24000小之前基本能實現(xiàn)控制出口NOx在121-158mg/m3之間,氨逃逸大于3μL/L。造成此種情況主要由以下兩種原因:a.催化劑活性降低,已不能滿足原設(shè)計保證值;b.SCR系統(tǒng)流場分布均勻性差,造成局部氨逃逸及NOx排放超標(biāo)。
B.在機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)(50%BMCR~100%BMCR),SCR入口煙溫在320~351℃,滿足催化劑設(shè)計運(yùn)行溫度要求,SCR脫硝系統(tǒng)整體投運(yùn)率達(dá)到設(shè)計要求的99%。要實現(xiàn)機(jī)組更寬負(fù)荷范圍內(nèi)脫硝運(yùn)行,要滿足催化劑最低連續(xù)運(yùn)行溫度的條件,可通過改造措施提升SCR入口溫度或配置低硫煤種,適當(dāng)降低SCR最低連續(xù)運(yùn)行溫度。
為了能更準(zhǔn)確的評估SCR運(yùn)行性能,做好SCR催化劑的壽命管理,還需要定期做好SCR脫硝裝置的現(xiàn)場運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整及性能測試,以及催化劑的微觀檢測,對比分析催化劑活性降低的規(guī)律和原因,為SCR的脫硝性能提效改造提供科學(xué)依據(jù)。
圖1 NOx生成與控制途徑示意圖
(1)NOx控制技術(shù)
燃煤鍋爐生成的NOx主要由NO、NO2及微量N2O組成,其中NO含量超過90%,NO2約占5~10%,N2O只有1%左右。NOx理論上有三條生成途徑:
第一是燃料型NOx,燃料中的氮化物在煤粉火焰前端被氧化而成,所占NOx比例超過80~90%;
第二是熱力型NOx,助燃空氣中的N2在燃燒后期1300℃以上的溫度下被氧化而成;
第三是瞬態(tài)型NOx,由分子氮在火焰前沿的早期階段生成,所占NOx比例很小。
利用煤粉燃燒過程產(chǎn)生的氮基中間產(chǎn)物或者往煙道中噴射氨氣,在合適的溫度、氣氛或催化劑條件下將NOx還原,這是燃煤鍋爐控制NOx排放的主要機(jī)理(圖1)。由此衍生出爐內(nèi)低NOx燃燒(簡稱LNB)、爐膛噴射還原劑的選擇性非催化還原煙氣脫硝(簡稱SNCR)和爐后煙道噴射還原劑的選擇性催化還原煙氣脫硝(簡稱SCR)等三類技術(shù),這些技術(shù)成熟可靠,可單獨或組合使用。
①煙氣脫硝SCR
SCR技術(shù)最早于上世紀(jì)70年代用于日本電站鍋爐的NOx控制,其原理是把氨基還原劑噴入鍋爐下游300~420℃的煙道內(nèi),在催化劑作用下,利用氨基還原劑的選擇性將煙氣中NOx還原成無害的N2和H2O。
SCR是一種成熟的深度煙氣氮氧化物后處理技術(shù),無論是新建機(jī)組還是在役機(jī)組改造,絕大部分煤粉鍋爐都可以安裝SCR裝置。典型的煙氣脫硝SCR工藝流程具有如下特點:
A.可長期穩(wěn)定運(yùn)行的效率為90%,NOx排放濃度可控制到50mg/m3以下,是其他任何一項脫硝技術(shù)都無法單獨達(dá)到的。
B.催化劑是工藝關(guān)鍵設(shè)備。催化劑在與煙氣接觸過程中,受到氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)毒害、飛灰堵塞與沖蝕磨損等因素的影響,其活性逐漸降低,通常3~4年增加或更換一層催化劑。對于廢棄的催化劑,由于富集了大量痕量重金屬元素,需要謹(jǐn)慎處理。
C.SCR系統(tǒng)的運(yùn)行會增加空預(yù)器入口煙氣中SO3濃度,并殘留部分未反應(yīng)的逃逸氨氣,二者在空預(yù)器低溫?fù)Q熱面上反應(yīng)形成硫酸氫銨,易惡化空預(yù)器冷端的堵塞和腐蝕,需要對空預(yù)器采取抗硫酸氫銨堵塞措施。
D.受制于鍋爐煙氣參數(shù)、飛灰特性及空間布置等因素的影響,根據(jù)反應(yīng)器的布置位置,SCR工藝分為高灰型、低灰型和尾部型等三種:高灰型SCR是主流布置,工作環(huán)境相對惡劣,催化劑活性惰化較快,但煙氣溫度合適(300~420℃),經(jīng)濟(jì)性最高;低灰型SCR與尾部型SCR的選擇,主要是為了凈化催化劑運(yùn)行的煙氣條件或者是受到布置空間的限制,由于需將煙氣加熱到300℃以上,只適合于特定環(huán)境。
早期的脫硝催化劑供應(yīng)主要有美國Cormetech、奧地利Ceram、德國亞基隆、日本日立、丹麥托普索等公司,隨著催化劑生產(chǎn)線在國內(nèi)組建,東方凱特瑞、重慶遠(yuǎn)達(dá)及江蘇龍源等公司的產(chǎn)品質(zhì)量逐步得到了認(rèn)可,國產(chǎn)催化劑逐漸成為國內(nèi)催化劑市場的主力。
②混合型煙氣脫硝(SNCR/SCR)
混合型SNCR/SCR技術(shù)是將SNCR與SCR組合(圖2),SNCR承擔(dān)脫硝和提供NH3的雙重功能,利用煙道型SCR將上游來的NH3與NOx反應(yīng)完全,從而提高整體脫硝效率,彌補(bǔ)SNCR裝置效率有限的缺陷。技術(shù)特點如下:
A.SNCR通過布置在鍋爐爐墻上的噴射系統(tǒng),首先將還原劑噴入反應(yīng)器爐膛,在高溫(850~1250℃)實現(xiàn)初步脫硝。
B.SNCR/SCR技術(shù)適應(yīng)于場地空間有限的特定環(huán)境,SNCR脫硝效率通常為25~40%,SCR脫硝效率由催化劑層的布置決定。下游SCR不需另設(shè)噴氨AIG裝置,但需要提高煙道型SCR的脫硝效率時,還得增設(shè)單獨的氨噴射系統(tǒng)。
圖2 SNCR/SCR組合脫硝系統(tǒng)示意圖
C.早期的煙道型SCR反應(yīng)器布置在水平煙道上,煙氣水平流動,流速較高。改進(jìn)后的煙道型SCR垂直布置,流速降低,提高了催化劑使用壽命。
D.對于燃煤鍋爐SNCR,還原劑的利用率約20-30%,尿素還原劑的脫硝效率高于氨水。
對于現(xiàn)役爐膛型SNCR/煙道型SCR混合工藝,應(yīng)充分發(fā)揮煙道型SCR或下游常規(guī)SCR的脫硝效率,提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
(2)脫硝路線選擇
河曲電廠1、2號機(jī)組SCR脫硝分別于2012年12月和2013年2月投運(yùn),SCR脫硝裝置投運(yùn)接近24000小時。根據(jù)近期SCR脫硝裝置的性能檢測及日常運(yùn)行數(shù)據(jù),在SCR入口NOx濃度低于400mg/m3時,近期在催化劑化學(xué)壽命24000小之前基本能實現(xiàn)控制出口NOx低于121-158mg/m3,氨逃逸大于3μL/L時,無法滿足當(dāng)前NOx超低排放要求。需通過SCR提效改造以實現(xiàn)超低排放改造目標(biāo)。
綜合以上SCR裝置現(xiàn)場性能測試及日常運(yùn)行評估,對于河曲電廠1、2號機(jī)組SCR脫硝裝置實現(xiàn)50mg/m3的NOx超低排放目標(biāo),可從如下幾個方面考慮:
圖3 催化劑再生工藝流程
①根據(jù)摸底試驗結(jié)果,為提高SCR脫硝整體性能,建議近期進(jìn)行SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整及性能評估試驗,并進(jìn)行催化劑實驗室檢測試驗,為下一步催化劑的壽命管理及提效改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
②隨著催化劑化學(xué)活性逐步衰減,SCR性能降低,可考慮催化劑的加裝、更換方案。
這里對催化劑再生進(jìn)行簡單介紹:
通常,在活性“損失”不到一半的情況下,催化劑就被認(rèn)為失活了。所謂失活,實際上是催化劑本身的化學(xué)能力和反應(yīng)所需要的物理面積的失去,這就使得催化劑再生成為可能,催化劑活性由基本活性和有效活性組成。催化劑失活主要由催化劑通道堵塞、催化劑微觀孔隙堵塞、催化劑活性表面覆蓋及催化劑中毒等原因所致。
催化劑再生分清洗、復(fù)原、再生三個階段,采取不同措施所需成本和催化劑活性程度不同,催化劑再生工藝流程見圖3。
A. 清洗(Cleaning):清除催化劑流道內(nèi)的輕度堵塞或輕度覆蓋層。
B.復(fù)原(Rejuvenation):除了清除堵塞和覆蓋物以外,同時清除部分的毒化物質(zhì)。
C.再生(Regeneration):清除所有物理和化學(xué)的限制物,并且補(bǔ)充活性成分。
本工程SCR脫硝裝置遠(yuǎn)期實現(xiàn)NOx超低排放改造,建議采取更換第一層催化劑并增加備用層催化劑的方案。SCR整體性能按照入口NOx濃度400mg/m3,87.5%脫硝效率,控制出口NOx不高于50mg/m3進(jìn)行設(shè)計。在增加備用層催化劑的同時,配套增加備用層聲波吹灰系統(tǒng)。以下進(jìn)一步從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面對提效改造方案進(jìn)行論述。
(1)催化劑更換
①催化劑性能要求
為經(jīng)濟(jì)有效地實現(xiàn)河曲電廠1、2機(jī)組NOx超低排放,根據(jù)SCR運(yùn)行性能評估結(jié)果,催化劑更換后,脫硝裝置整體性能應(yīng)滿足SCR出口NOx濃度穩(wěn)定控制在50mg/m3以下,催化劑化學(xué)壽命大于24000h,機(jī)械壽命大于10年。
②催化劑選型與設(shè)計
催化劑的選型和設(shè)計受煙氣溫度、脫硝效率、飛灰特性及煙氣參數(shù)等因素的影響,需要綜合考慮。河曲電廠1、2號機(jī)組SCR裝置現(xiàn)役催化劑有鄭州康寧特環(huán)保工程有限公司生產(chǎn)的蜂窩式催化劑。當(dāng)前運(yùn)行狀況相對良好。因此,考慮此次更換第一層及新加裝備用層催化劑,規(guī)格與現(xiàn)役催化劑一致。蜂窩催化劑節(jié)距為8.2mm,每層模塊數(shù)72個,每臺爐催化劑加裝體積為357m3。
(2)吹灰系統(tǒng)改造
SCR超低排放改造,在加裝催化劑的同時,需加裝備用層吹灰系統(tǒng)。現(xiàn)有催化劑吹灰采用聲波吹灰器。每臺反應(yīng)器需布置5只聲波吹灰器,每臺機(jī)組共需要增加10只聲波吹灰器。
(3)SCR流場優(yōu)化改造
SCR超低排放改造對流場要求很高,特別是脫硝效率高于90%時,流場對整個脫硝的NOx排放值、氨逃逸、運(yùn)行阻力、催化劑運(yùn)行壽命起關(guān)鍵性作用;可以說流場的好壞對整個SCR超低排放改造起關(guān)鍵性作用。通過對2號爐脫硝裝置煙氣流場測試,發(fā)現(xiàn)SCR進(jìn)口煙道內(nèi)煙氣流速分布均勻性差,導(dǎo)致催化劑發(fā)生嚴(yán)重磨損,因此本次改造中需對原有脫硝裝置煙氣流場進(jìn)行優(yōu)化,更換原有煙道內(nèi)導(dǎo)流板,以改善流場分布。
(4)輔助系統(tǒng)容量
1、2號機(jī)組SCR裝置原設(shè)計按照入口NOx濃度400mg/ m3,初期75%脫硝效率進(jìn)行設(shè)計。進(jìn)行超低排放改造后,入口NOx濃度400mg/m3,控制SCR出口NOx低于50mg/m3,液氨耗量約為289.6kg/h。未來實現(xiàn)超低排放要求,由于氨耗量的增加建議滿負(fù)荷運(yùn)行時兩臺稀釋風(fēng)系統(tǒng)同時工作。
河曲電廠4臺機(jī)組進(jìn)行超低改造后液氨耗量為1766.2kg/h,其中一期兩臺機(jī)組液氨耗量為579.2kg/h,二期兩臺機(jī)組液氨861.8kg/h(二期NOx入口按600mg/m3,出口按50mg/m3計算);氨區(qū)共3臺(2運(yùn)1備)液氨蒸發(fā)器,每臺的制備能力為1011.6kg/h,滿足機(jī)組環(huán)保改造后期氨的需求量,因此此部分不需擴(kuò)容改造。
SCR催化劑按照“2+1”模式布置,遠(yuǎn)期安裝三層催化劑,相應(yīng)DCS容量設(shè)計已考慮增加備用層吹灰器等設(shè)備后的裕量,本次脫硝增容需考慮相應(yīng)熱控改造。爐側(cè)SCR-DCS留有一定的備用點數(shù),可滿足增加備用層催化劑吹灰系統(tǒng)控制需要。
(5)物料消耗
SCR脫硝提效改造后,為將出口NOx濃度控制在50mg/ m3以內(nèi),按照入口NOx濃度400mg/m3考慮計算脫硝投運(yùn)后的系統(tǒng)主要所需消耗品用量。根據(jù)目前脫硝運(yùn)行情況,SCR出口若按50mg/m3進(jìn)行運(yùn)行控制,SCR脫硝系統(tǒng)各輔助系統(tǒng)滿足運(yùn)行要求。相比現(xiàn)行國家排放標(biāo)準(zhǔn)100mg/m3的要求,單臺爐年增加液氨耗量約1189.1t。
通過對1、2號機(jī)組現(xiàn)有SCR脫硝裝置的性能評估,針對NOx超低排放改造目標(biāo),筆者根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合分析論證,得出以下結(jié)論:
⑴本次改造建議更換第一層及新加裝備用層催化劑,并配套進(jìn)行吹灰系統(tǒng)和供氨系統(tǒng)改造。提效改造按照SCR入口NOx濃度400mg/m3,87.5%脫硝效率設(shè)計,控制最終NOx排放濃度低于50mg/m3,實現(xiàn)鍋爐煙氣污染物超低排放的目標(biāo)。
⑵為提高SCR脫硝整體性能,建議進(jìn)行SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整及性能評估試驗,并進(jìn)行催化劑檢測試驗,為下一步催化劑的壽命管理及運(yùn)行優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
完成鍋爐煙氣NOx超低排放改造后,每年新增NOx減排量約605噸,具有較好的節(jié)能減排和社會效益。
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(責(zé)任編輯:劉林林)
Research and Design of Reconstruction Project of Denitration System in Thermal Power Plant
Shan Xiaojing
(Shanxi LuNeng HeQu Power Co., Ltd, Shanxi, 036500)
This paper frst analyzes the equipment status and equipment performance of the existing denitrifcation system in Hequ Shanxi Power Generation Co., Ltd., and on this basis, designs the technical transformation route and transformation plan of denitrifcation. Through the practice results, after the completion of the boiler fue gas NOx ultra-low emission transformation, the transformation effect is remarkable, and has better energy conservation and emission reduction effects and social benefts.
denitration modifcation; scheme design; energy saving and emission reduction; social beneft
TM628 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
A
單曉敬(1984~),男,山西魯能河曲發(fā)電有限公司;研究方向:脫硫脫硝管理、生產(chǎn)運(yùn)行管理等。